Common Rail 4.pdf

NOVUS SCIENTIA 2007

EKOLOGICZNE ASPEKTY STOSOWANIA UKýADìW

WTRYSKOWYCH COMMON RAIL

Krzysztof LEW,

THE ECOLOGICAL ASPECTS OF APPLYING THE COMMON RAIL

ARRANGEMENTS

Annotation: In this paper were presented particular generations of configurations Common Rail,

construction and standard of operation injectors and influence of use them on ecology, and fuels

consumption too. In this thesis were reported problems which result from control above name of

injectors which are use in Common Rail configurations. In this research were presented directions of

evolution in accumulation configurations injection called Common Rail

Key words: Ecological, accumulation, injectors, influence, construction.

1. WSTĦP

JednĢ z gþwnych przyczyn zanieczyszczenia atmosfery sĢ Ļrodki transportu, sĢ

odpowiedzialne za odpowiednio 52, 26 i 22% zawartoĻci tlenkw azotu, tlenku wħgla

i wħglowodorw, a w miastach nawet za 70% zawartoĻci tlenkw azotu i 90% stħŇenia

oþowiu. Mimo wielkich wysiþkw w zakresie usuwania zanieczyszczeı z atmosfery, na

caþym Ļwiecie ich obecny poziom czħsto przekracza maksymalne wartoĻci ustalone przez

ĺwiatowĢ Organizacjħ Zdrowia (WHO - World Health Organizatiori).

Wzrost stħŇenia toksycznych

skþadnikw spalin negatywnie

oddziaþuje na organizm czþowieka,

prowadzĢc do chorb oraz zmian

mutagennych. ZagroŇenie zdrowia

ludnoĻci z powodu spalin silnikowych

jest tym wiħksze, Ňe szkodliwe

skþadniki wyrzucane sĢ do atmosfery

na obszarach zamieszkaþych, gdzie

warunki wymiany powietrza sĢ

ograniczone zabudowĢ terenw.

ObecnoĻę toksycznych

skþadnikw w spalinach silnikw

wynika z czynnikw konstrukcyjnych,

regulacyjnych, rodzaju stosowanych

paliw, olejw; jest takŇe zwiĢzana

z warunkami pracy i stanem

technicznym

eksploatowanych

Rys. 1. Szkodliwe oddziaþywanie na Ļrodowisko procesu

spalania w silniku spalinowym [3]

silnikw [3].

meno autora, nzov a adresa katedry, telefn, email, vednć odbor

Mgr inŇ. Kryzsytof Lew, Politechnika Rzeszowska im. Ignacego ýukaszewicza, Zakþad Pojazdw

Samochodowych i Silnikw Spalinowych, , Al. Powstaıcw Warszawy 8, 35-959 Rzeszw

tel. (0-17)865-16-79, e-mail: krislew@poczta.onet.pl

meno lektora, nzov a adresa katedry, telefn, email

Promotor: prof. dr hab.inŇ. Kazimierz Lejda, Politechnika Rzeszowska im. Ignacego ýukaszewicza, Zakþad

Pojazdw Samochodowych i Silnikw Spalinowych, , Al. Powstaıcw Warszawy 8, 35-959 Rzeszw

tel. zakþ. 865-18-05

NOVUS SCIENTIA 2007

Podstawowe skþadniki toksyczne wystħpujĢce w spalinach silnikowych moŇna

podzielię na:

produkty niezupeþnego i niecaþkowitego spalania paliwa sĢ to: tlenek wħgla,

aldehydy, wħglowodory oraz sadza,

produkty utleniania azotu z powietrzem oraz nieorganicznych dodatkw

zawartych w paliwie i oleju smarujĢcym; naleŇĢ do nich tlenki azotu i siarki,

metale o silnie toksycznych wþaĻciwoĻciach dodawane do paliw dla

polepszenia ich wþasnoĻci uŇytkowych, a ktre wydalane sĢ w procesie

spalania w postaci czystej lub toksycznych zwiĢzkw [3]

2. PRZYCZYNY EMISJI ZWIġZKìW SZKODLIWYCH W SPALINACH

ńrdþami substancji zanieczyszczajĢcych, wydalanych do atmosfery, sĢ: ukþad

wylotowy spalin, skrzynia korbowa silnika oraz ukþad zasilania silnika w paliwo. Podczas

sprħŇania i spalania (tþok przemieszcza siħ w kierunku GMP) niespalona mieszanka jest

wpychana do szczeliny pomiħdzy cylindrem a tþokiem. Wħglowodory powstaþe na Ļciankach

cylindra, wskutek efektu wygaszania

pþomienia sĢ czħĻciowo absorbowane

przez warstwħ olejowĢ, ktra jest na

gþadzi cylindrowej. Tlenki azotu

(przede wszystkim tlenek azotu ÎNO X )

powstajĢ w strefie po pþomiennej z

azotu i tlenu z powietrza. Procesowi

powstawania NO X sprzyja wysoka

temperatura i nadmiar powietrza.

Tlenek wħgla (CO) powstaje w

procesie spalania w bogatych

mieszankach paliwa (k<1) oraz w

wysokotemperaturowym pþomieniu

(nawet, gdy jest nadmiar powietrza) w

wyniku dysocjacji CO 2 . Stan

ázamroŇenia" NO, pŅniej CO,

nastħpuje podczas rozprħŇania. TakŇe

podczas rozprħŇania ze szczelin

pomiħdzy tþokiem a cylindrem

wypþywajĢ gazowe wħglowodory i nie

spalona

czħĻę

wħglowodorw spala siħ.

Na poczĢtku suwu wylotu

osiadþe wczeĻniej na Ļciankach

cylindra wħglowodory sĢ zgarniane

przez tþok i mieszajĢ siħ z gazami spalinowymi; takŇe warstwa oleju desorbuje HC.

Parametrami decydujĢcymi o przebiegu spalania sĢ [1]:

Rys.2. Schemat procesu spalania w silniku ZS [1]

IloĻę dostarczonej energii w mieszance paliwowopowietrznej,

stopieı odparowania paliwa,

turbulencja þadunku,

temperatura zapþonu mieszanki,

prħdkoĻę utleniania mieszanki.

712

mieszanka,

NOVUS SCIENTIA 2007

Na przebieg prawidþowej pracy silnika ma wpþyw szereg czynnikw, z ktrych

gþwnym jest przebieg procesu spalania i zwiĢzane z nim parametry. Przy obniŇaniu siħ

temperatury otoczenia poniŇej 0 C czas napħdzania waþu korbowego do poziomu prħdkoĻci

wymaganej warunkami rozruchu wydþuŇa siħ, pogarszajĢ siħ bowiem warunki termiczne dla

zaistnienia pierwszych samozapþonw. Inne niekorzystne zmiany to pogarszanie warunkw

rozpylenia dawki oraz wzrost oporw przepþywu paliwa w caþym ukþadzie paliwowym.

Dziaþanie podstawowych elementw ukþadu paliwowego charakteryzujĢ nastħpujĢce

czynniki [1].

konstrukcyjno-geometryczne ukþadu,

materiaþowe,

zwiĢzane z oddziaþywaniem otoczenia,

eksploatacyjne wymuszajĢce dziaþanie ukþadu w okresach rozruchu.

Przy rozruchach silnikw w niskich temperaturach otoczenia z wymienionych

czynnikw najbardziej istotnym jest temperatura powietrza dostarczanego do silnika, a

jednoczeĻnie jest on uzaleŇniony od czynnikw konstrukcyjnych i materiaþowych [1].

3. ROZWIġZAİIA KONSTRUKCYJNE UKýADìW COMMON RAIL

ObserwujĢc rynek motoryzacyjny moŇna stwierdzię, Ňe najbardziej popularnym

systemem paliwowym stosowanym w wiħkszoĻci szybkoobrotowych silnikach

wysokoprħŇnych jest system Common Rail. Pod koniec 2005 r. Bosch wyprodukowaþ 100-

milionowy egzemplarz wtryskiwacza Common Rail do silnikw Diesla w samochodach

osobowych. Tylko w samym 2005 r, z taĻm produkcyjnych siedmiu fabryk na trzech

kontynentach zeszþo 26 milionw wtryskiwaczy.

Gþwnym kryterium podziaþu ukþadw Common Rail jest sposb regulacji wysokiego

ciĻnienia.

Ukþady CR pierwszej

generacji charakteryzuje siħ

tym, Ňe ciĻnienie paliwa w

zasobniku dochodzi do 130

MPa. Ukþad ten w 2000 roku

zostaþ zmodernizowany,

wprowadzajĢc technikħ

wtrysku wielofazowego:

gþwna dawka paliwa jest

poprzedzona dawkĢ

pilotujĢcĢ, dziħki czemu w

cylindrze znacznie þagodniej

narasta ciĻnienie i w efekcie

silnik jest cichszy, ma

bardziej miħkkĢ pracħ. Jeden

wtrysk moŇe siħ skþadaę

nawet z siedmiu dawek. Takie rozwiĢzanie ma np. produkowany w Bielsku-Biaþej silnik 1.3

Multijet. W ukþadach CR drugiej generacji ciĻnienie paliwa w zasobniku jest regulowane

przez dozownik. Pompa wysokiego ciĻnienia typu CP3 i CP1H tþoczy paliwo w iloĻci

niezbħdnej dla silnika. Dziħki temu zuŇycie energii potrzebnej do napħdu pompy wysokiego

ciĻnienia i zuŇycie paliwa sĢ mniejsze. CiĻnienie wtrysku w ukþadach drugiej generacji zostaþo

podniesione do 160 MPa, dziħki czemu polepszyþa siħ efektywnoĻę pracy silnika z czym

wiĢŇe siħ miħdzy innymi spadek emisji zwiĢzkw toksycznych do Ļrodowiska.Ukþady

713

Rys. 3. Schemat systemu Common Rail [6]

NOVUS SCIENTIA 2007

Common Rail trzeciej generacji rŇni siħ od poprzednich ukþadw wtryskowych

zastosowaniem piezoelektrycznych wtryskiwaczy, ktre cechuje znacznie szybszy czas

reakcji niŇ wtryskiwaczy elektromagnetycznych.

Wtryskiwacz piezoelektryczny zbudowany jest z nastħpujĢcych podzespoþw (rys.4):

siþownika piezoelektrycznego, przetwornika hydraulicznego, zaworu sterujĢcego oraz

rozpylacza.

W konstrukcji wtryskiwacza zwrcono szczeglnĢ uwagħ na to aby uzyskaę jak

najwiħkszĢ sztywnoĻę zestawu nastawnikw skþadajĢcego siħ z siþownika piezoelektrycznego,

przetwornika hydraulicznego i zaworu sterujĢcego. W odrŇnieniu od wtryskiwaczy

elektromagnetycznych, ktre majĢ trzpieı naciskowy, we wtryskiwaczach piezoelektrycznych

nie wystħpujĢ siþy mechaniczne dziaþajĢce na igþħ rozpylacza. UmoŇliwiþo to zmniejszenie mas

ruchomych i tarcia oraz polepszenie stabilnoĻci dziaþania wtryskiwacza w porwnaniu

z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi. Dodatkowo zapewniono moŇliwoĻę uzyskania

maþych odstħpw czasowych miħdzy wtryskami. Podczas jednego cyklu moŇliwa jest realizacja

piħciu wtryskw dostosowanych do chwilowych warunkw pracy silnika [5].

Hydrauliczne sprzħŇenie zaworu sterujĢcego z igþĢ

rozpylacza umoŇliwia uzyskanie bezpoĻredniej reakcji igþy

na uruchomienie siþownika. Zwþoka miħdzy elektrycznym

poczĢtkiem wþĢczenia a hydraulicznĢ reakcjĢ igþy

rozpylacza wynosi zaledwie ok. 150 ´s. Taka konstrukcja

wtryskiwacza charakteryzuje siħ ponadto brakiem miejsc

bezpoĻrednich przeciekw z obwodu wysokiego ciĻnienia

do obwodu niskiego ciĻnienia, co zwiħksza sprawnoĻę

hydraulicznĢ caþego ukþadu.

Igþa w rozpylaczu wtryskiwacza

piezoelektrycznego jest sterowana przez zawr sterujĢcy, a

wymagana dawka wtrysku jest regulowana czasem

wþĢczenia zaworu. W stanie wyþĢczonym piezoelektryczny

siþownik znajduje siħ w poþoŇeniu wyjĻciowym przy

zamkniħtym zaworze sterujĢcym, czyli obwd wysokiego

ciĻnienia i obwd niskiego ciĻnienia sĢ rozdzielone. Po

wþĢczeniu prĢdu siþownik piezoelektryczny otwiera zawr

sterujĢcy, ktry przemieszczajĢc siħ w dþ zamyka kanaþ

obejĻciowy.

Odpowiednio dobrany stosunek strumieni

przepþywu przez dþawiki wywoþuje spadek ciĻnienia w

komorze sterujĢcej, powodujĢc uniesienie igþy rozpylacza.

Dawka sterujĢca odpþywa przez zawr sterujĢcy do

obwodu niskiego ciĻnienia ukþadu wtryskowego.

Zmniejszenie objħtoĻci siþownika piezoelektrycznego

rozpoczyna proces zamykania zaworu sterujĢcego, ktry

otwiera kanaþ obejĻciowy. Wwczas komora sterujĢca

napeþnia siħ dziħki odpowiednio dobranym strumieniom przepþywu i nastħpuje wzrost ciĻnienia

w komorze sterujĢcej. Po osiĢgniħciu wymaganego poziomu ciĻnienia igþa zaczyna siħ poruszaę

i proces wtrysku zostaje zakoıczony. W porwnaniu z wtryskiwaczami o konwencjonalnej

konstrukcji, to rozwiĢzanie charakteryzuje siħ znacznie krtszymi czasami wtrysku, co jest

korzystne dla ograniczenia emisji spalin i zwiħkszenia mocy silnika.

Dalszym istotnym podzespoþem wtryskiwacza piezoelektrycznego jest przetwornik

hydrauliczny, dziħki ktremu zwiħkszony zostaþ skok siþownika piezoelektrycznego.

Rys.4. Wtryskiwacz piezoelektryczny

[5]: 1-zþĢcze przelewu paliwa, 2-zþĢcze

wysokiego ciĻnienia, 3-siþownik

piezoelektryczny, 4-przetwornik

hydrauliczny, 5-zawr sterujĢcy, 6-

rozpylacz z igþĢ, 7-kanalik wtryskowy

714

NOVUS SCIENTIA 2007

Moduþy siþownika piezoelektrycznego i przetwornika hydraulicznego sĢ otoczone

olejem napħdowym znajdujĢcym siħ pod ciĻnieniem ok. 1 MPa. Przy wyþĢczonym siþowniku

ciĻnienie w przetworniku hydraulicznym rwnowaŇy siħ z ciĻnieniem otoczenia. Zmiany

dþugoĻci wynikajĢce z wpþywu temperatury kompensujĢ niewielkie przecieki przez luzy na

prowadzeniu obu tþoczkw, powodujĢc zachowanie w kaŇdej chwili sprzħŇenia siþowego miħdzy

siþownikiem i zaworem sterujĢcym. W celu zainicjowania wtrysku paliwa siþownik jest

poddawany dziaþaniu napiħcia (110...150 V) tak dþugo, aŇ zostanie przekroczona rwnowaga

siþ pomiħdzy zaworem wþĢczajĢcym i siþownikiem. Powoduje ona wzrost ciĻnienia, ktremu

towarzyszy niewielki przeciek paliwa przez luzy prowadzenia tþoczka do obwodu niskiego

ciĻnienia wtryskiwacza. Wahania ciĻnienia przy czasach wþĢczenia trwajĢcych kilka milisekund,

nie majĢ wpþywu na dziaþanie wtryskiwacza. Po zakoıczeniu wtrysku nastħpuje uzupeþnienie

dawki w obwodzie hydraulicznym przetwornika.

Wtryskiwacze piezoelektryczne sĢ uruchamiane przez sterownik o specjalnie

dostosowanych stopniach koıcowych. W zaleŇnoĻci od ciĻnienia w zasobniku dla danego

punktu pracy zdefiniowano znamionowe napiħcie sterujĢce. Przebieg napiħcia jest zwiħkszany

impulsowo, aŇ do osiĢgniħcia dopuszczalnej rŇnicy miħdzy napiħciem znamionowymi

regulacyjnym. Wzrost napiħcia zostaje przetworzony na proporcjonalny skok siþownika

piezoelektrycznego powodujĢcego wzrost ciĻnienia w przetworniku hydraulicznym aŇ do

przekroczenia rwnowagi siþ na zaworze sterujĢcym i otwarcia tego zaworu. Po osiĢgniħciu

przez zawr sterujĢcy poþoŇenia koıcowego ciĻnienie w komorze sterujĢcej nad igþĢ rozpylacza

zaczyna spadaę i wtrysk zostaje zakoıczony.

Wtryskiwacze piezoelektryczne charakteryzujĢ siħ nastħpujĢcymi zaletami [5]:

moŇliwoĻę realizacji wtrysku wielokrotnego o zmiennym poczĢtku i

zmiennym odstħpie miħdzy pojedynczymi wtryskami,

dziesiħciokrotnie krtszy czas realizacji wtrysku w odniesieniu do

wtryskiwacza elektromagnetycznego,

wytwarzanie bardzo maþych dawek dla wtrysku wstħpnego,

maþe wymiary i masa wtryskiwacza w odniesieniu do wtryskiwacza

elektromagnetycznego,

mniejszy haþas podczas pracy,

zmniejszenie zuŇycia paliwa (ok. 3%),

mniejsza emisja spalin (ok. 20%),

zwiħkszenie mocy silnika (ok. 7%}.

TrwajĢ prace nad czwartĢ generacjĢ, ktra pozwoli jeszcze obniŇyę poziom

zanieczyszczenia spalin dziħki doskonalszemu sterowaniu i podniesieniu ciĻnienia wtrysku

stosujĢc wtryskiwacze ze wzmocnieniem hydraulicznym. Technologia HADI

(Hydraulically Ampli-fied Diesel Injector) wykorzystuje specjalny tþok, ktry zwiħksza

ciĻnienie we wtryskiwaczach nawet do 250 MPa. Nowy system ma jeszcze bardziej obniŇyę

emisjħ zanieczyszczeı, zmniejszyę zuŇycie paliwa i zredukowaę poziom haþasu podczas

spalania przy jednoczesnym wzroĻcie mocy silnika. Paliwo nie bħdzie wtryskiwane do komory

spalania gwaþtownie, ale przy stopniowo wzrastajĢcym ciĻnieniu. Taka procedura wtrysku

pozwala osiĢgnĢę þagodniejszy przebieg spalania z mniejszymi skokami temperatury

i odpowiednio niŇszĢ emisjĢ tlenkw azotu.

715

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: